抗裂防渗水工混凝土弯曲韧性研究

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第32卷第l2期人民黄河Vo1．32．No．122010年l2月YELL0WRIVERDec．．2010【水利水电工程】抗裂防渗水工混凝土弯曲韧性研究石国柱，徐晓勇(安阳师范学院建筑工程学院，河南安阳455002)摘要：基5-~f,]工程中对大粒径混凝土的抗裂防渗要求，进行了二级配骨料钢纤维混凝土弯曲韧性试验，分析了钢纤维体积率(钢纤维掺量)对钢纤维混凝土荷载一挠度曲线、弯曲韧度指数和承载能力变化系数的影响。结果表明：钢纤维对二级配混凝土弯曲韧性有良好的增强效果，钢纤维最佳体积率为0．5％～1．O％。关键词：钢纤维混凝土；弯曲韧性；二级配；大骨料中图分类号：TU528．572文献标识码：Adoi：10．3969／j．issn．1000-1379．2010．12．103混凝土是一种脆性材料，抗裂、变形能力差，这些弱点限制表1试验配合比kg／m了混凝土优势的充分发挥。当混凝土中掺人钢纤维后，钢纤维与t昆凝土基体之问的黏结作用，将对混凝土基体中裂缝的扩展和延伸起明显的抑制作用。钢纤维受力时脱黏、拔出或拉断消耗很大的能量，使得混凝土破坏时表现出良好的塑性特征，故钢纤维混凝土的开发研究受到了国内外的普遍重视。钢纤维混凝土在道路、桥梁、建筑等工程中得到了广泛应用，取得了良好的效益，但是在水利水电工程中的研究和应用较晚“J，在面板堆石坝方面除了个别小坝修补时采用按照《钢纤维混凝土试验方法》的规定，钢纤维混凝土弯曲过喷射钢纤维混凝土外，还没有得到正式应用，而且这些应用韧性试件尺寸为150mm×150nl／n×550mm，试件按先干拌后基本都限制粗骨料最大粒径为20mm。笔者基于水利工程对湿拌的方法，用强制式小型搅拌机拌合，用振动台振实成型。大粒径混凝土的防裂增韧要求，测定粗骨料最大粒径为40mm为使钢纤维均匀分布，先拌和除钢纤维外的其他材料，再将钢的二级配钢纤维混凝土的弯曲性能，对大粒径钢纤维混凝土弯纤维均匀撒入，全部投人后再拌和均匀。拌和过程中，人工用曲性能进行了分析。钢棒辅助拌和，以避免出现钢纤维结团现象。试验时，为增强现有普通试验机的刚度，采用4个具有相同尺寸和刚度的高强1试验简介叠簧为刚性辅助架。每个试件在试验前都仔细测量，并计录其实际尺寸，用IMP35953B数据自动采集仪采集试验数据。试验采用42．5R普通硅酸盐水泥；细集料采用细度模数为2．79的机制砂，级配连续；粗集料采用连续级配石灰岩碎石。小2试验结果及分析石为5～20mm，大石为20—40mm，过筛后使用。大石与小石比例为11：9；钢纤维为端勾型钢纤维，长60mm，长径比为2．1荷载一挠度曲线8O，弯折度合格；减水剂为JM—H型缓凝高效减水剂，减水率不同钢纤维体积率下钢纤维混凝土试件的荷载一挠度曲为20％～23．6％；MgO采用外掺法加入混凝土，掺量为胶凝材线见图1、图2。已有研究表明，普通混凝土梁的破坏特征是一料用量的3．4％；粉煤灰为I级粉煤灰。应用实践表明-73，混裂即断，表现为较弱的塑性和较强的脆性I9J。由图1、图2可凝土中掺加Mg0，对增强混凝土的断裂韧度、补偿混凝土自身以看出，钢纤维混凝土试件的荷载峰值随钢纤维体积率的增大体积收缩，避免或减少因混凝土自身收缩变形而产生的裂缝，而增大，荷载一挠度曲线随钢纤维体积率的增大而越加丰满，效果明显。呈现出更强的韧性。钢纤维体积率分别为0、0．5％、0．77％、1．O％和1．25％，分别对应试件编号中的I—V，以比较不同钢纤维掺量对混凝土收稿日期：2010—03-26基金项目：河南省科技攻关课题(0624250028)；安阳师范学院骨干教师资助计的增韧效果。在保证水灰比不变的前提下，随钢纤维掺量的增划项目。加，适当增加单位用水量，使钢纤维混凝土有适宜的工作性能。作者简介：石国柱(1974一)，男，河南安阳人，讲师，硕士，主要从事建筑材料及基体混凝土强度等级为C30，试验配合比见表1。试件I～V结构性能研究工作。的坍落度分别为190、50、30、10mm和0mm。E—mail：guozhu_shi@126．corn·243· 人民黄河2010年第12期下降；②与7d龄期相比，28d龄期钢纤维混凝土韧度指数并无明显提高，原因是弹性模量随龄期的增加有较大提高，表明钢山纤维混凝土的早期变形能力并不弱于常规28d设计龄期的变＼形能力，也表明钢纤维混凝土有较好的早期抗裂性能。挺表2弯曲韧度指数霜静123456789挠度／ram图1钢纤维混凝土7d龄期荷载一挠度曲线2．3承载能力变化系数为了反映钢纤维混凝土在给定变形下的承载能力，《钢纤＼繇维混凝土试验方法》在ASTMC1018基础上增加了承载能力变握租化系数。试件在给定变形下的弯曲承载能力变化系数为静=(1)式中：为倍数，a：给定挠度／初裂挠度，《钢纤维混凝土试验方法》规定的为3．0、5．5、15．5；Im为与给定挠度对应的一图2钢纤维混凝土28d龄期荷载一挠度曲线．⋯组试件的平均弯曲韧度指数。荷载较小时，基体通过界面黏结力将荷载传至纤维，钢纤将所得结果与理想弹塑性材料的承载能力变化系数=维与混凝土基体作为整体共同承担荷载，两者变形协调处于弹1比较，评定其弯曲韧性，⋯与1越接近，表明钢纤维混凝土性阶段，故荷载一挠度曲线呈直线。当荷载增大，受拉区混凝．越接近理想弹塑性材料。钢纤维混凝土的承载能力变化系数计土变形达到钢纤维混凝土初裂应变时，混凝土基体出现裂缝，算结果见表3。跨越裂缝的纤维通过界面传递应力使试件截面受力保持平衡，表3承载能力变化系数而不像普通混凝土那样，一旦裂缝扩展便很快导致试件断裂；基体内部微裂缝稳定扩展成为宏观裂缝，荷载一挠度曲线逐渐钢纤维7d龄期承载能力变化系数28d龄期承载能力变化系数体积率／％呈非线性变化。在该阶段，钢纤维通过界面黏结横贯裂缝传递=3．0=5．5=15．5a=3．0a：5．5a=15．5应力，钢纤维混凝土仍能承受更大的荷载。随着荷载的继续增大，混凝土基体裂缝继续扩展，钢纤维混凝土处于弹塑性阶段。此后，钢纤维在逐渐拔出过程中，横跨裂缝连接混凝土，使钢纤维混凝土的承载能力仍有一定提高，且随钢纤维体积率的增大可以看出，钢纤维体积率为0．77％～1．0％时，钢纤维混凝而增大。钢纤维混凝土达到极限承载能力的I临界值后，裂缝失土的承载能力变化系数大都在1附近，表明钢纤维体积率在该稳扩展，因钢纤维与基体间界面黏结强度逐步达到极限，钢纤范围内弯曲韧性最接近于理想弹塑性材料。原因是当钢纤维维不断被拔出或拉断，承载能力下降，裂缝两端的钢纤维混凝混凝土开裂后，由于钢纤维有增强阻裂作用，承载力继续上升，土几乎变成刚体转动，跨中挠度增长很快。在该过程中，由于而且随着钢纤维体积率的增大极限承载力提高，荷载一挠度曲数目越来越多的钢纤维脱黏、拔出或拉断，需要吸收很多能量，线下降段越丰满，因此可以得到较高的承载能力变化系数。因此荷载一挠度曲线缓慢下降，呈现出良好的韧性，并有裂而不断的特征。3结语2．2弯曲韧度指数为了更好地比较各种钢纤维混凝土的弯曲韧性，引入弯曲试件初裂后，受拉区裂缝宽度随着荷载的增大而增大，达韧度指数。弯曲韧度指数是以3倍、5．5倍、15．5倍的初裂挠到极限强度后，普通混凝土梁突然折断，而钢纤维混凝土梁则度前荷载一挠度曲线下的面积与初裂时荷载一挠度曲线下面随着裂缝宽度的继续扩大而缓慢卸载，裂而不断，钢纤维混凝积的比值，用，5、，l0、，3。表示。按照图1和图2计算出的钢纤维土韧性明显增强。钢纤维混凝土试件的峰值荷载随着钢纤维混凝土弯曲韧度指数见表2。试验及分析结果表明：钢纤维的体积率的增大而提高，荷载一挠度曲线随着钢纤维体积率的增加入明显改善了混凝土的弯曲变形性能，弯曲韧性随钢纤维体大而越加丰满，呈现出更强的韧性。高强混凝土弯曲韧度指数积率的增大而提高。及承载力变化系数均随着钢纤维体积率的变化而变化，当钢纤由表2可以看出：①当钢纤维体积率P≤1％时，钢纤维混维体积率小于0．5％时，增韧效果不明显，而当钢纤维体积率大于凝土韧度指数基本上随着钢纤维体积率的增大而增大，但当钢1．0％时，其性能指标不仅离散性大，而且出现性能下降的情况，因纤维体积率1％‘<1．25％时，钢纤维混凝土韧度指数有所此钢纤维最佳体积率为0．5％～1．0％。(下转第247页)-244· 人民黄河2010年第12期2．3形成谱系图发育情况具有一定的相似性，然而从整体上看，在向前施工的采用一次成群计算法对相似系数矩阵进行聚类分析，以相过程中，构造裂隙的发育程度有增大的趋势，并且存在着两个似系数为横坐标，以观测点为纵坐标，作二维谱系图，见图2。分界点，在第4个观测点和第7个观测点存在着构造裂隙发育程度突然增大的趋势，由此可以看出大型断层(Fd6、Fd95)对周相似系数l090807060．50．403020l边构造裂隙具有重要影响，这和已有的认识相一致。实例分析表明，多元聚类分析方法可以通过研究复杂构造11裂隙的多个特征来直观地表现其不同种类之间的相互关系，实3现对隧道复杂构造裂隙的评价和预测。4参考文献：5妻r6白明洲，许兆义，王勐．长大隧道施工过程中突水突泥灾害预测预报技术研7究[J]．公路交通科技，2005，22(6)：123—126．8黄润秋，王贤能，陈龙生．深埋隧道涌水过程的水力劈裂作用分析[J]．岩石9力学与工程学报，2000，19(9)：573—576．lO韩金言．数学地质[M]．北京：煤炭工业出版社，1987．FieldJG，ClarkeKR，WarwickRM．APracticalStrategyforAnalysisMulti-1l图2构造裂隙聚类分析谱系⋯⋯speciesD_亘istributionPatterns[J]．MarineEcologyProgressS,eries，1982，8(I)：37—52．3结语何晓群．多元统计分析[M]．2版．北京：中国人民大学出版社，2008．布雷迪BHG，布朗ET．地下采矿岩石力学[M]．冯树仁，余诗刚，朱祚铎，根据构造裂隙聚类分析谱系图可以看出，构造裂隙观测结等，译．北京：煤炭工业出版社，1990．果可分为3类，前4次观测结果为一类，中间3次观测为一类，【责任编辑吕艳梅】后4次观测结果为一类。这说明在相近的区域内，构造裂隙的(上接第242页)判断方面的一种有益延伸，它提供了多指标选[S]．北京：中国水利水电出版社，2003．择的可能性，在国内外许多领域都有广泛的应用。参加本次德[2]吴翊，李永乐，胡庆军．应用数理统计[M]．北京：国防科技大学出版社，l995．尔菲法咨询的专家具有丰富的实践经验和较扎实的理论基础，[3]聂相田，戎建国，王博．水利工程施工监理平行检测研究[J]．人民黄河，当中既有科研工作者，也有组织领导者，确保了专家的代表性2009，31(1O)：111—113．和权威性。通过德尔菲咨询法提出了《监理规范》中需修订的[4]中国水利工程协会．水利工程建设质量控制[M]．北京：中国水利水电出版内容、存在问题及改进建议，并通过数据分析筛选出四方面需社．2oo7．修订的内容，可为《监理规范》的修订提供参考。【责任编辑赵宏伟】参考文献：[1中华人民共和国水利部．SL288-2003水利工程建设项目施工监理规范爿c爿c术木术术爿(术)l(术术术术爿(术术术爿(爿(术术术)Ic爿c)Ic丰术术术爿c木木米木术木木木爿c木木爿(木爿c爿c术木木(上接第244页)2002，24(7)：36．[6]朱自先．聚丙烯纤维和氧化镁在面板混凝土中的应用[J]．人民长江，2004，参考文献：35(7)：6—7．[7]肖延亮，杨忠义．外掺氧化镁混凝土性能试验研究[J]．混凝土，2007(3)：赵国藩，彭少民，黄承逵，等．钢纤维混凝土结构[M]．北京：中国建筑工业72—73．出版社，l999．[8]高丹盈，刘建秀．钢纤维混凝土基本理论[M]．北京：科学技术文献出版社，[2]高丹盈，赵军，朱海堂．钢纤维混凝土设计与应用[M]．北京：中国建筑工业1994．出版社，2002．[9]宋玉普．三向应力状态下钢纤维混凝土的变形特性[J]．水利学报，1995[3]石国柱，韩菊红，刘文立，等．钢纤维大粒径混凝土弯曲性能研究[J]．人民(5)：1—8．黄河，2007，29(1)：75—76．[4]张东升，赵建中，魏剑宏．小浪底水利工程高边坡加固措施及安全评价[J]．【责任编辑吕艳梅】人民黄河，2003，25(12)：31—32．[5]陈丕华，解勤卫．喷射钢纤维砼坝面防渗技术的应用研究[J]．人民黄河，·247·